基于STC单片机的抽油机便携式工况分析仪

王金玉 侯士波 刘淄航 林雨晴

(1.东北石油大学电气信息工程学院，黑龙江 大庆 163318；2.国网新疆电力公司乌鲁木齐供电公司，乌鲁木齐 830011)

基于STC单片机的抽油机便携式工况分析仪

王金玉1侯士波1刘淄航2林雨晴1

(1.东北石油大学电气信息工程学院，黑龙江 大庆 163318；2.国网新疆电力公司乌鲁木齐供电公司，乌鲁木齐 830011)

以STC12C5A系列单片机为核心设计了一个抽油机便携式工况分析仪，给出了硬件电路设计和软件设计。分析仪通过电压和电流互感器采集抽油机电参数，通过红外光电反射式传感器采集抽油机电机转速，将采集到的数据通过曲线的形式在液晶屏显示并保存到分析仪的存储器上。同时分析仪通过计算给出平衡调整建议。此外，分析仪还可以通过串口与PC实现数据通信，把采集到的数据传输到上位机上。

工况分析仪 抽油机 STC单片机 数据通信

随着现代生产力的迅速发展，我国对石油的需求量在不断攀升。尽管我国已发现的石油储藏量达到四十多亿吨，但我国石油开采量增加的速度仍然赶不上我国经济发展的速度，随着内地工业的快速发展，预期我国对进口石油的依赖性会由40%增加至60%[1]。为此抽油机在油田上被广泛应用[2,3]。

目前，各个油田的采油工大都是采用钳型电流表来测量抽油机电机电流的峰峰值，进而计算电流平衡比判断抽油机是否处于平稳正常的运行状态。抽油机处于平衡状态时其电流平衡比在85%～120%范围内。现有的钳型电流表和测量仪器虽然能够测出抽油机的电流平衡率，但是不能获取抽油机在整个周期内的精确电流参数，也就不能准确反映出抽油机的运行状态[4]。因此，设计一款操作方便、测量准确、功能完善的抽油机便携式工况分析仪对于油田节能降耗具有很好的实际应用价值。

1 总体设计方案

基于STC12C5A单片机的抽油机便携式工况分析仪的总体设计方案如图1所示。其硬件电路由高性能的STC12C5A单片机控制器、电压和电流传感器、转速传感器、电参数采集电路、键盘控制电路、LCD显示模块、数据存储模块和人机接口电路组成。电压和电流传感器采集的电压和电流信号经过电量采集芯片转换为单片机可以处理的数字信号，单片机对采集到的数字信号进行数据处理和运算，送给LCD液晶屏显示。LCD液晶屏显示当前抽油机电机整个冲程内的电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数的数值和曲线，通过数据存储芯片实时存储当前采集到的数据。同时，分析仪还可以给出具体的调整建议，当分析仪的数据存储到一定量时，还可以通过USB串口通信电路，将采集到的数据传输到上位机软件中，以便汇总、保存和打印[5]。

图1 抽油机便携式工况分析仪总体设计方案

2 硬件部分

2.1主控模块

抽油机便携式工况分析仪的主控模块采用STC12C5A系列单片机，该单片机为增强型8051CPU，单时钟/机器周期1T，工作电压为5V。工作频率范围为0～35MHz，本分析仪选用的是22.118 4MHz。该单片机还有4个16位计数器/定时器、7路外部中断I/O口、两路PWM和PCA可编程计数器、8路10位转换精度ADC、两个USART串行接口，硬件资源非常丰富，因此适合多种功能的扩展[6]。数据存储器采用24C512芯片，它是一个512KB的串行存储器，支持I2C总线数据传送协议，用该芯片来存储电压、电流、有功功率、无功功率及功率因子等参数。分析仪的时间显示采用DS1302芯片进行控制，该芯片电路简单、运行稳定可靠，单片机的数据检索和历史数据回放也是通过查找时间来实现的。主控模块的硬件电路如图2所示。

图2 主控模块硬件电路

2.2数据采集模块

数据采集模块分为电参数采集模块和转速采集模块。

电参数采集模块将电压和电流互感器采集到的模拟信号，通过三相功率电能测量芯片SA9904A转换成单片机可以处理的数字信号，进而进行相关的数据处理。三相功率电能测量芯片SA9904A采用20脚封装，为混合模数信号的CMOS集成电路，具有SPI通信接口，能够与具有SPI口的单片机进行快速的数据交换。该集成芯片包含三相功率与电能测量所需的全部功能[7]。SA9904A整合无功与有功功率瞬时值于24位缓存器。RMS电压与频率连续地被测量并存储于各自的缓存器。电参数采集电路如图3所示。

转速采集模块采用红外光电反射式传感器进行非接触式检测。红外传感器将电机的转速信号转变成电脉冲信号，该信号经过LM393电压比较器转换成TTL电平，直接送到单片机进行脉冲计数，从而计算出电机的转速。转速采集电路如图4所示。

图3 电参数采集电路

图4 转速采集电路

2.3USB串口通信电路

USB串口通信电路采用PL2303芯片。PL2303的发射和接收引脚与单片机的接收和发射引脚相连接，引脚15和16连接计算机的USB接口的时钟信号引脚和数据输入输出引脚，实现单片机向USB串口的数据发送与接收。分析仪通过USB串口电路就可以把采集到的数据上传到计算机中，实现数据的分析、保存和打印。USB

串口通信电路如图5所示。

3 系统软件

系统软件分为下位机软件和上位机软件两部分。下位机软件采用Keil C语言进行编写，首先按照各个模块的功能使用模块化的方式编写程序，然后将各个模块程序组合到一起调试，最后形成一个完整的软件程序。下位机软件的设计流程如图6所示。

图5 USB串口通信电路

图6 下位机软件流程

上位机软件主要是对单片机下位机上传的数据进行显示、存储、回放、生成报告，同时也具备打印数据的功能。上位机软件界面如图7所示。

图7 上位机软件界面

4 测试结果与分析

经过软硬件设计和焊接调试后，分析仪到现场进行测试，部分现场测试曲线如图8所示。

a. 电流曲线

b. 有功功率曲线

从图8a中可以清楚地看出，抽油机上冲程和下冲程的电流最大值分别为26.122 1A和27.438 0A，经过分析仪进行数据处理后计算出抽油机的平衡度为1.050 4。现场也通过Fluke F430测试数据与之进行对比，F430电压精度为0.1%。通过数据对比，设计的分析仪误差在允许范围内。

5 结束语

基于STC单片机的便携式抽油机工况分析仪能够准确地采集抽油机电参数和转速，并通过液晶屏显示出当前抽油机整个运行周期内的参数和曲线，可以对数据进行存储和回放，同时还可以现场给出平衡调整建议，分析仪工作稳定可靠、操作简单、携带方便、精度高。同时，当分析仪的数据存储到一定量时，还可以通过单片机串口把数据传输到PC上位机，便于油田技术员对抽油机的整体工作状况进行实时了解，进而采取必要的措施达到油田节能降耗的目的。

[1] 胡家华，徐鹏，郑昌雨，等.抽油机电参数测量数据无线传输系统的设计[J].微型机与应用，2013，32(11)：66～99.

[2] 曹明辉，石成江，朱克彦. 异相型双四连杆抽油机机构的运动分析[J].化工机械，2011,38(1):57～59,65.

[3] 耿向忠.浅谈油田抽油机的节能方式[J].化工机械，2012,39(1):110～112.

[4] 陈勇，孙文磊，谭远华，等.基于物联网的抽油机装备工况采集与可视化研究[J].制造业自动化，2015，37(17)：4～6.

[5] 黄丰磊，卢海锋，朱浩然.基于STM32与Labview的电参数测量系统设计[J].电器与能效管理技术，2014，(15)：37～39.

[6] 范东英，孙晓伟.基于STC单片机正压防爆控制系统的设计[J].化工自动化及仪表，2012，39(5)：612～614.

[7] 宋蛰存，许刚.三相电功率的检测及其数据处理[J].机电产品开发与创新，2011，24(4)：127～129.

(Continued from Page 808)

displacement control and the rising speed control of the aerial work platform; and the level inclination of the work platform can eliminate the lateral error so as to implement auto-leveling of the trucks.

Keywordsauto-leveling control system, overhead working truck, PLC, rising-stem displacement control, rising speed control

PortableOperatingConditionAnalyzerofOilPumpingUnitBasedonSTCMCU

WANG Jin-yu1, HOU Shi-bo1, LIU Zi-hang2, LIN Yu-qing1

(1.SchoolofElectricalEngineeringandInformation,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China; 2.UrumqiPowerSupplyCo.,StateGridXinjiangElectricPowerCompany,Urumqi830011,China)

Having STC12C5A microcontroller cored to design a portable operating condition analyzer of pumping unit was implemented, including the design of its hardware circuit and softwares. This analyzer collects pumping unit’s electrical parameters through voltage transformer and current transformer and acquires the motor speed by optical encoder and infrared sensor; the collected data can be displayed on LCD screen in the form of curves and then be saved to the analyzer; meanwhile, this analyzer can give balance adjustment suggestions after calculation and communication with PC via serial port so that the data can be transferred to the host computer for browsing and printing conveniently.

operating condition analyzer, oil pumping unit, STC microcontroller, data communication

2016-06-29(修改稿)

东北石油大学研究生创新科研项目(YJSCX2015-028NEPU)

TH89

A

1000-3932(2016)08-0822-05